深水锻件结构工艺孔封堵技术研究

安维峥，康永田，万 波，侯广信

1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100027

2.中国船级社海洋工程技术中心，天津 300457

大型锻件结构在水下生产系统设备中应用较多，其为设备非常重要的零件之一，在水下井口、水下采油树和水下管汇等设备上都有应用。大型锻件作为设备中的重要零件，需要承担设备的压力和温度载荷，对锻件的应用具有极高的技术要求[1-2]。随着水下生产系统向着深水迈进，设备的智能化要求也越来越高，因此在大型锻件上需要设置不同形式的功能孔，用于满足设备电缆或者液压传输的要求。由于加工工艺技术的限制，在锻件本体上就会开一些工艺孔，用于功能孔的制造，在加工完成之后还需对这些工艺孔进行封堵，以满足设备对不同工作载荷的技术要求[3-4]。

目前我国水下生产系统设备国产化刚刚处于起步阶段，国内少数企业针对水下生产系统设备制造了工程样机，并且对有些设备开展了海试工作，在工艺技术水平方面取得了长足的进步[5-6]。然而，在深水锻件结构工艺孔封堵技术研究方面尚处于起步阶段，工程案例少、封堵工艺技术不健全等因素都影响到锻件在深水结构物的应用[7]，因此，本文结合国内现有工艺技术对工艺孔封堵技术进行研究，采用有限元模拟的方法对工艺孔封堵技术进行评价，以探求不同封堵工艺技术对锻件应用的影响。

1 锻件在水下生产系统设备中的应用

目前我国海洋油气装备处于蓬勃发展阶段，水下生产系统设备处于国产化的关键时期，水下生产系统设备主要包括水下井口、采油树和管汇等设备，锻件是水下生产系统设备中的主要组成部件，设备上典型的锻件如图1所示[8]。

图1 水下生产系统中典型的锻件结构

因功能的需要锻件上面会开出各种功能孔。这些功能孔有的很深，例如油管悬挂器上面的液压孔要贯穿整个油管悬挂器的锻件主体；有的功能孔要承担较大的工作压力，一般的液压孔压力都会在20.7 MPa左右。加工长距离功能孔的同时还会加工一些工艺孔，加工完成后对工艺孔进行封堵，以保证锻件可在高温、高压状态下正常使用。

如图2所示，需要封堵的工艺孔在图中红圈内，封堵完成后该孔需要承载液压的载荷。工艺孔主要作用在于辅助加工，在设备锻件制作期间用于辅助测试，工艺孔封堵技术在设备锻件中极为重要，直接关系到锻件能否在设备中正常应用。

图2 油管悬挂器需要封堵的工艺孔

2 封堵技术研究

工艺孔封堵技术具有多种形式，根据需要可以选择堆焊焊接、螺柱密封和组合方式进行封堵，封堵后锻件要满足API 6A中关于工艺孔封堵的技术要求。以下对上述3种封堵技术形式分别进行具体的介绍。

2.1 堆焊焊接封堵

堆焊焊接就是针对工艺孔的结构，采用堆焊焊接的形式将整个工艺孔进行封堵，此项技术在陆地设备封堵工艺上应用较多。需要重点对焊接工艺进行评价，考虑焊接材料和环境等因素对焊接质量的影响，并且在焊接过程中需要先对锻件进行整体加温，以避免焊接形成气泡或造成局部应力过大。工艺孔封堵焊接的工艺形式如图3所示。

图3 堆焊封堵的工艺孔

采用堆焊焊接的方式能够完成图3所示工艺孔的封堵，焊接完成后需对表面进行磨平处理。但是工艺孔一般比较细且比较深，堆焊焊接是否能够填充饱满，结构强度和焊接操作的可行性需要进一步验证。

2.2 螺柱封堵

螺柱堵头的封堵方式较为简单，如图4所示。螺柱封堵需要在锻件本体上加工NPT螺纹，通过螺纹连接实现对工艺孔的密封，这种方式在工程中应用较多，连接较为方便，但是高腐蚀区域就需要考虑螺柱材料的影响以及设备在长时间使用时的耐久性。

图4 螺柱封堵的工艺孔

2.3 组合封堵方式

组合封堵的形式是将螺柱封堵和焊接封堵进行组合，封堵工艺技术如图5所示。图5所示的组合将螺柱置于工艺孔的内部，再在螺柱的端部进行焊接，然后再磨平，焊接可以采用耐腐蚀合金材质，这样就可以满足耐腐蚀的技术要求。

图5 组合封堵的工艺孔

3 结构模型分析

深水锻件结构复杂，为了有限元计算方便，需对模型进行简化。本文以油管悬挂器液压管道的工艺孔为例进行分析，油管悬挂器设计压力34.5 MPa、内径127 mm，液压管道的设计压力为20.7 MPa、内径12.7 mm，工艺孔直径10 mm，采用workbench建立如图6所示的有限元分析模型。

图6 油管悬挂器液压管道的工艺孔有限元分析模型

为了减少封堵尺寸效应，假设焊接、螺柱（1/2 in NPT，1 in=25.4 mm）和组合封堵形式的结构尺寸一致，但是在不同的封堵形式中，设置不同的接触形式。堆焊焊接采用绑定接触，螺柱封堵的螺纹区间采用螺栓接触，在螺帽区域设置摩擦接触，摩擦系数为0.2，在采用组合封堵形式时，螺柱采用螺栓接触，螺帽区域被削减，采用堆焊的方式填充。油管悬挂器本体、焊材和螺柱材料属性参数如表1所示。

表1 材料主要参数

针对封堵技术开展操作工况和压力测试工况的分析。在正常操作工况下，在油管悬挂器模型内壁施加压力载荷34.5 MPa，底部和上部台阶位置施加固定边界条件约束，液压管道和堵头施加压力20.7 MPa；在测试工况下，内壁施加的压力载荷为34.5 MPa，液压管道和堵头施加1.5倍工作压力，边界条件和操作工况时一致，模型施加的载荷如表2所示。

表2 模型施加载荷

不同封堵技术的有限元模型采用四面体单元solid187进行分析。在操作工况下，3种封堵形式的结构应力云图如图7所示；在测试工况下，3种封堵形式的结构应力云图如图8所示。

图7 操作工况下三种封堵结构的应力云图

图8 测试工况下3种封堵结构的应力云图

通过对比分析3种封堵形式的计算结果可知，油管悬挂器的本体结构在操作工况和测试工况下，结构应力基本上没有变化，封堵工艺技术对锻件主体的结构应力影响不大，但是在不同封堵形式下，工艺孔位置的应力变化较大，尤其是焊接封堵形式，在工艺孔周边产生了一定的残余应力，封堵区域的结构应力有很大的变化。封堵区域结构应力分析结果见表3。

表3 封堵区域结构应力分析结果

对于封堵构件，从结构应力的角度进行分析，3种封堵工艺技术都能满足结构强度的设计要求。焊接封堵结构应力最小，但是封堵焊接孔径小，对封堵工艺技术的实施有一定的影响，焊接难度大，在实际工程中难以实施，并且焊接会使本体产生一定的残余应力。螺柱封堵可行性较高，需要考虑螺柱的密封和耐久性，在低载荷时可以进行应用。组合封堵形式填充件产生的应力较小，具备了焊接封堵和螺柱封堵的优点，所以组合封堵形式具有较好的力学性能和可操作性。

4 组合封堵技术试验

根据不同形式封堵技术的有限元分析结果，组合封堵形式在结构可靠性和操作性方面具有一定的优势，因此工艺孔封堵试验工装中采用组合封堵的方式。封堵螺柱采用1/2 in NPT螺纹设计，端部使用焊接形式进行填充、磨平，测试压力分别为20.7、31.05 MPa，以验证封堵形式的可靠性。封堵试验验证方案如图9所示。

图9 封堵试验验证方案

如图10所示，在具有封堵件的防爆舱内施加20.7、31.05 MPa的测试压力，试验后检验结果为：油管挂和工艺孔封堵结构未发生损坏，说明组合封堵技术满足封堵结构强度的技术要求，有限元分析方法是可靠的，组合封堵工艺技术可以在深水锻件结构工艺孔封堵工程上进行应用。

图10 封堵压力试验

5 结论

（1）本文针对深水锻件结构工艺孔的封堵技术进行研究，采用有限元方法对不同封堵技术进行了分析，并采用试验的方法验证组合封堵效果，结果表明，在结构强度方面，各种封堵形式都能满足强度的要求，组合封堵形式具有较好的封堵效果和可操作性。

（2）焊接、螺柱和组合封堵技术在强度方面都可以满足深水锻件在结构强度方面的要求，但是不同封堵结构形式对封堵技术的具体操作有一定的要求，算例中的工艺孔较小，采用焊接封堵难度大；螺柱封堵形式操作便捷、可行性高；组合封堵形式结合了螺柱和焊接封堵的优点，所以在深水锻件工艺孔封堵形式选择方面就需要结合结构强度、可操作性等几个方面进行判别，选择最优的封堵形式进行应用。